0079-四工位專用機床設計

0079-四工位專用機床設計,四工位,專用,機床,設計 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目 四工位專用機床設計  課題內容 設計一專用機床的機構，完成需要的四個工位。 課題任務要求 1. 擬機床機構設計方案。 2. 在繪制裝配圖。 3. 繪零件圖。 4. 完成論文、翻譯、文獻綜述等工作。 主要參考文獻（由指導教師選定） 1． 典型零件機械加工（工藝與實例） 陳家芳 顧霞琴主編 上海科學技術出版社 2． 機械制造工藝與裝備 倪森壽主編 化學工業(yè)出版社 3． 機床數(shù)控技術與編程 于超 楊玉梅 郭建燁 編著 國防工業(yè)出版社 4． SolidWorks及COSMOSMotion機械仿真設計 清華大學出版/張晉西等2007年1月。 6．SolidWorks2005中文版基礎及應用教程/陳涉等編著 . —北京 ：電子工業(yè)出版社,2005.7 同組設計者 注：1、任務書由指導教師填寫；2、任務書在第七學期第15周前下達給學生。 學生完成畢業(yè)設計（論文）工作進度計劃表 序號 畢業(yè)設計（論文）工作任務 工 作 進 度 日 程 安 排 周次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 查閱機床機構設計資料 2 用軟件建立模型 3 機構方案設計 4 繪制工程圖 5 完成論文寫作，準備答辯 注：1、此表由指導教師填寫； 2、此表每個學生一份，作為畢業(yè)設計（論文）檢查工作進度之依據(jù)； 3、進度安排用“—”在相應位置畫出。 畢業(yè)設計（論文）階段工作情況檢查表 時間 第 一 階 段 （撰寫開題報告、外文翻譯、文獻綜述） 第 二 階 段 （論文初稿撰寫或方案設計） 第 三 階 段 （論文終稿或圖紙繪制） 內容 組織紀律 完 成 任 務 情 況 組織紀律 完 成 任 務 情 況 組織紀律 完 成 任 務 情 況 檢 查 情 況 教師簽字 簽字 日期 簽字 日期 簽字 日期 注：1、此表由指導教師認真填寫（要求手寫）； 2、“組織紀律”一欄根據(jù)學生具體執(zhí)行情況如實填寫； 3、“完成任務情況”一欄按學生是否按進度保質保量完成任務的情況填寫； 4、對違紀和不能按時完成任務者，指導教師可根據(jù)情節(jié)輕重對該生提出警告或不能參加答辯的建議。 機械原理課程設計指導書（一） （設計題目：四工位專用機床） 1. 孔的典型加工工藝及刀具 孔的加工包括從實體材料上加工孔和對已有孔進行加工兩大類。麻花鉆是在實體材料上加工孔的常用刀具，加工精度較低。擴孔鉆和鉸刀是用于對已有孔進行加工的刀具。擴孔鉆的外形和麻花鉆相類似，只是加工余量小，刀齒數(shù)目比麻花鉆多，加工后孔的質量較好，一般能達IT10—11級精度。鉸刀是提高被加工孔質量的半精加工或精加工刀具，切削時加工余量更小，刀齒數(shù)目更多，加工后孔的精度最高可達IT8。 圖1 孔加工刀具示意圖 2. 四工位專用機床工作原理及外形尺寸 專用機床旋轉工作臺有四個工作位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（如圖2所示），分別對應工件的裝卸、鉆孔、擴孔和鉸孔。主軸箱上裝有三把刀具，對應于工位Ⅱ的位置裝鉆頭，Ⅲ的位置裝擴孔鉆，Ⅳ的位置裝鉸刀。刀具由專用電動機驅動繞其自身軸線轉動。主軸箱每向左移動送進一次，在四個工位上分別完成相應的裝卸工件、鉆孔、擴孔和鉸孔工作。當主軸箱右移（退回）到刀具離開工件后，工作臺回轉90o，然后主軸箱再次左移，這時，對其中每一個工件來說，它進入了下一個工位的加工，依次循環(huán)四次，一個工件就完成裝、鉆、擴、鉸、卸等工序。由于主軸箱往復一次，在四個工位上同時進行工作，所以每次就有一個工件完成上述全部工序。 機床外形可參考圖2，外形總體尺寸可用于檢查所設計機構能否裝入機體內部。 圖2 專用機床外形及尺寸 3. 設計步驟 1） 執(zhí)行機構的選型 根據(jù)專用機床的功能要求，回轉工作臺做單向間歇運動，主軸箱做往復直線運動。實現(xiàn)工作臺單向間歇運動的機構有棘輪機構、槽輪機構、凸輪機構、不完全齒輪機構等，實現(xiàn)主軸箱往復直線運動的機構有連桿機構和凸輪機構等。上述機構的結構、工作原理及特點見參考材料1、2 。機構選型應遵循以下原則。 表1 選用執(zhí)行機構的原則與方法 2） 機械運動方案的評價 　　對上述兩執(zhí)行機構，做其形態(tài)學矩陣，可得到為數(shù)眾多的方案。 工作臺 棘輪 槽輪 凸輪 不完全齒輪 主軸箱 連桿 凸輪 凸輪—連桿 機械運動方案的擬定，最終要求通過分析比較提供最佳方案。一個方案的優(yōu)劣只有通過系統(tǒng)綜合評價來確定。從機構和機械運動方案的選擇和評價要求看，主要應滿足五個方面的性能指標，具體見表2。 表2 機械運動方案的評價指標 性能指標 具體內容 機構的功能 1）運動規(guī)律的型式；2）傳動精度高低 機構的工作性能 1）應用范圍；2）可調性；3）運轉速度；4）承載能力 機構的動力性能 1）加速度峰值；2）噪聲；3）耐磨性；4）可靠性 經(jīng)濟性 1）制造難易；2）制造誤差敏感度；3）調整方便性；4）能耗大小 結構緊湊 1）尺寸；2）重量；3）結構復雜性 目前常用的評價方法很多，如系統(tǒng)工程評價法、模糊綜合評價法等。本次課程設計中機械運動方案的評價采用定性評價法，由指導教師組織學生集體完成。 3） 機械傳動系統(tǒng)的速比和變速機構 機械系統(tǒng)通常由原動機、傳動裝置、執(zhí)行機構和控制操作部件組成。原動機是機械系統(tǒng)中的驅動部分，其類型及規(guī)格已選定，執(zhí)行機構的機構型式通過上述設計過程也已確定，此時應進行傳動系統(tǒng)的設計計算。傳動系統(tǒng)是把原動機和執(zhí)行機構聯(lián)系起來的裝置，四工位專用機床中，傳動系統(tǒng)將驅動電機的運動并列傳遞到兩執(zhí)行機構。傳動類型的選擇及傳動裝置總傳動比的分配見參考材料4. 3）。 4） 機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構的尺度計算 根據(jù)機械運動方案示意圖，對機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構進行尺度計算，具體計算方法見參考材料4. 3）。 5） 繪制機械運動方案圖 根據(jù)已選定的執(zhí)行機構型式及傳動系統(tǒng)的類型，繪制專用機床機械運動示意圖（草圖），然后繪制機構運動循環(huán)圖，有關參數(shù)計算完畢后，選取適當?shù)谋壤肬G繪制機械運動方案三維圖。 6） 機構運動仿真 用UG運動仿真學對工作臺回轉機構或主軸箱往復直線運動機構進行運動分析，繪制從動件位移、速度、加速度曲線圖。 7） 編寫設計說明書 課程設計說明書是技術說明書的一種，是對課程設計的總結。主要內容包括：課程設計題目簡介（四工位專用機床的功能及設計要求）、執(zhí)行機構的選型及評價、機械傳動系統(tǒng)的設計計算、機械運動方案簡圖的繪制、機械運動系統(tǒng)尺度計算、機構運動仿真分析圖片、設計感想等。 設計說明書用B5紙張打印，之后按以下順序縱向裝訂成冊：封面（由指導教師提供統(tǒng)一格式）、課程設計任務書、摘要、目錄、正文、參考文獻。 4. 注意事項 1） 每位同學接到課程設計題目后最好準備一個專用筆記本，把在課程設計過程中查閱、摘錄的資料，初步的計算以及構思的草圖都記錄在案，這些材料是整理設計說明書的基本素材。 2） 課程設計中所需知識可能超出《機械原理》課程課堂講述的基本內容，同學應通過自學補充有關知識。 3） 推薦參考資料： （1）.《機械原理課程設計指導書》 裘建新主編 高等教育出版社。 （2）.《機械原理課程設計手冊》 牛鳴岐等主編 重慶大學出版社。 （3）.《機械基礎綜合課程設計》 孔凌嘉等主編 北京理工大學出版社。 （4）.《機械原理》課本 張春林主編 高等教育出版社。 （5）.《機械設計》課本 譚慶昌 趙洪志主編 高等教育出版社。 4） 建議設計進度 設計任務 所需時間（天） 準備及熟悉題目 2 執(zhí)行機構選型及評價 2 方案評價 1 傳動系統(tǒng)設計計算 2 機械系統(tǒng)尺度計算 3 機械運動方案圖繪制 5 機構運動仿真 2 編寫設計說明書 3 合計 20 機械原理課程設計任務書（一） 1. 設計題目：四工位專用機床 2. 工作原理及工藝動作過程 四工位專用機床是在四個工位上分別完成工件的裝卸、鉆孔、擴孔、鉸孔工作的專用加工設備。機床的執(zhí)行動作有兩個：一是裝有工件的回轉工作臺的間歇轉動；二是裝有三把專用刀具的主軸箱的往復移動（刀具的轉動由專用電機驅動）。兩個執(zhí)行動作由同一臺電機驅動，工作臺轉位機構和主軸箱往復運動機構按動作時間順序分支并列，組合成一個機構系統(tǒng)。 3. 原始數(shù)據(jù)及設計要求 1） 刀具頂端離開工作表面65mm，快速移動送進60mm后，再勻速送進60mm（包括５mm刀具切入量、45mm工件孔深、10mm刀具切出量，如右圖所示），然后快速返回?；爻毯瓦M程的平均速度之比K=2。 2） 刀具勻速進給速度為2mm/s，工件裝卸時間不超過10s。 3） 機床生產(chǎn)率每小時約60件。 4） 執(zhí)行機構及傳動機構能裝入機體內。 5） 傳動系統(tǒng)電機為交流異步電動機，功率1.5Kw，轉速960r/min。 4. 設計方案提示 1） 回轉臺的間歇轉動，可采用槽輪機構、不完全齒輪機構、凸輪式間歇運動機構。 2） 主軸箱的往復移動，可采用圓柱凸輪機構、移動從動件盤形凸輪機構、凸輪－連桿機構、平面連桿機構等。 3） 由生產(chǎn)率可求出一個運動循環(huán)所需時間T=60s，刀具勻速送進60mm所需時間t勻=30s，刀具其余移動（包括快速送進60mm，快速返回120mm）共需30s?；剞D工作臺靜止時間為40s，因此足夠工件裝卸所需時間。 5. 設計任務 1） 按工藝動作過程擬定運動循環(huán)圖； 2） 進行回轉臺間歇轉動機構、主軸箱刀具移動機構的選型。并進行機械運動方案的評價和選擇； 3） 根據(jù)電機參數(shù)和執(zhí)行機構運動參數(shù)進行傳動方案的擬訂； 4） 機械傳動系統(tǒng)和執(zhí)行機構的尺度計算； 5） 畫出機械運動方案圖并進行運動仿真； 6） 編寫設計說明書。（用B5紙張，封面用標準格式） 設計說明書應包括以下內容： 1. 功能分解；2. 原始數(shù)據(jù)及計算；3. 簡述方案設計思路及討論、改進； 4. 執(zhí)行機構設計步驟或分析計算過程。5. 對所設計的結果分析討論6. 感想與建議。 四工位專用機床機構設計 1 原始數(shù)據(jù)及設計要求 (1) 刀具頂端離開工件表面65mm(圖1)，快速移動送進60mm接近工件后，勻速送進60 mm(前5mm為刀具接近工件時的切入量，工件孔深45mm，后10mm為刀具切出量)，然后快速返回。回程和工作行程的平均速比(行程速度變化系數(shù))K＝2。 (2) 刀具勻速進給速度為2mm/s；工件裝、卸時間不超過10s (3) 生產(chǎn)率為每小時約75件。 (4) 執(zhí)行機構系統(tǒng)應裝入機體內，機床外形尺寸見圖1。 (5) 傳動電機轉速為1000r/min，功率為1.5Kw。 2 工藝動作分解及機械運動循環(huán)圈 2.1 工藝動作分解 本四工位專用機床主要有兩個執(zhí)行構件——回轉工作臺和主軸箱?；剞D工作臺作間歇轉動，主軸箱作來回移動。 由生產(chǎn)率可求出一個運動循環(huán)所需時間 ： 刀具勻速送進60mm所需時間，刀具其余移動內（包括快速送進60mm，快速返回120mm）共需18s。回轉工作臺截止時間為36s，因此足夠工件的裝、卸所需時間。 2.2 機械運動循環(huán)圈 其機械運動循環(huán)情況如表所示。 表 機械運動循環(huán)情況 執(zhí)行構件 運動情況 刀具 主軸箱 工作行程 返回行程 刀具在工件外 刀具在工件內 刀具在工件外 回轉工作臺 轉位 靜止 轉位 3 機構選型和機械運動方案的確定 3.1 機構選型 四工位專用機床的主輪箱往復移動機構和回傳工作臺間歇運動機構可由下表所列來選擇。 表 四工位專用機床機構的選擇情況 刀具 （主軸箱） 圓柱凸輪機構 移動從動件盤 形凸輪機構 凸輪一連桿機構 平面連桿機構 工件回轉工作臺 間歇運動機構 槽 輪 機 構 不完全齒輪機構 凸輪式間歇運動機構 3.2 機械運動方案的確定 根據(jù)表所列的機構形態(tài)矩陣，可以組合成的四工位專用機床的機械運動方案有12種。不完全齒輪機構沖擊性大，容易引起振動；凸輪式間歇運動機構不易定位，需要單獨設計都能夠為機構；槽輪機構結構簡單，又實現(xiàn)了工作臺的回轉定位，其沖擊性相對較小，所以工作臺的回轉機構采用槽輪機構。另外，由于兩個執(zhí)行機構之間有嚴格的運動關系，并且機床主軸箱有確定的運動規(guī)律，所以主軸箱往復移動機構選用圓柱凸輪機構，容易保證主軸箱的運動規(guī)律。 4 機械傳動系統(tǒng)速比和變速機構[11] 主驅動電機功率為1.5KW、轉速為1000r／min。由生產(chǎn)率要求，主軸箱移動機構和回轉工作臺間歇運動機構的主動件轉速為1.25r／min。因此機械傳動系統(tǒng)的總傳動比為：，其傳動系統(tǒng)采用四級：第一級V帶傳動（=4）、第二級用行星輪系傳動（=25）、第三級用直齒圓柱齒輪傳動（=4）、第四級采用直齒圓柱齒輪傳動（）。 5 機械運動方案簡圖 主軸箱移動機構采用圓柱凸輪機構，回轉工作臺間歇運動機構采用槽輪機構，其機構運動方案簡圖如下圖所示。 圖 四工位機床機構運動方案簡圖 6 對機械傳動系統(tǒng)和各機構的尺度計算 6.1 計算各級傳動效率、轉速、功率及轉矩 查表可得各種傳動的傳動效率[6]：帶傳動=0.97 齒輪傳動=0.98 滾動軸承=0.99 行星輪系=0.904 6.1.1 傳動效率： 第一級傳動： 第二級傳動： 第三級傳動： 第四級傳動： 6.1.2 各軸轉速： 軸I： 軸II： 軸III： 軸IV： 6.1.3 輸出功率： 軸I： 軸II： 軸III： 軸IV： 6.1.4 輸出轉矩： 軸I： 軸II： 軸III： 軸IV： 6.2 帶傳動設計[1] 電機功率P=1.5KW，轉速n=1000r/min傳動比為=4。 6.2.1 確定計算功率 查表可得工作情況系數(shù)=1.1，故 =P=1.11.5KW=1.65KW 6.2.2 選擇V帶的帶型 根據(jù)、n選取A型。 6.2.3 確定帶輪的基準直徑并驗算帶速v 1) 粗選小帶輪的基準直徑=75mm。 2）計算大帶輪的基準直徑。 6.2.4 確定V帶的中心距a和基準長度 1）粗定中心距=300mm。 2）計算帶所需的基準長度 選帶的基準長度為=1250mm。 3)計算實際中心距a 6.2.5 驗算小帶輪上的包角 6.2.6 計算帶的根數(shù) 1）計算單根V帶的額定功率。 由=75和n=1000r/min，查表得到=0.9576KW。 根據(jù)n=1000r/min，=4和A型帶，查表得。 查表得包角修正系數(shù)及V帶的長度系數(shù)=1.01，于是 2） 計算V帶的根數(shù)z 取2根。 6.2.7 計算單根V帶的初拉力的最小值 查表得A型帶的單位長度質量q=0.1kg/m，所以 應使帶的實際初拉力。 6.2.8 計算壓軸力 壓軸力的最小值為 6.2.9 帶輪的結構設計 大帶輪，安裝帶輪的軸的直徑為d=25mm。由，所以大帶輪采用孔板式。帶輪的寬度通過查手冊可得B=2f+e=2×10+15=35mm。 ， ， ， 小帶輪直徑=100mm，電機軸軸徑d=20mm。采用腹板式結構。寬度B=35mm。 ， ， 6.3 齒輪傳動設計[1] 6.3.1 高速級齒輪傳動設計 輸入功率,小齒輪轉速n=10r/min，傳動比為=4。由于軸向力很小，可忽略不計，故采用直齒圓柱齒輪傳動。 ①選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1）機床對轉位要求比較嚴格，精度較高，故選用6級精度（GB 10095-88） 2）材料選擇。由手冊選小齒輪材料為40Cr（調制）硬度為280HBS，大齒輪 選用45鋼（調制）硬度為240HBS，二者硬度差為40HBS 。 3）初選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。 ② 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式進行計算，即 （1）確定公式內的各計算值 1）試選取載荷系數(shù)。 2）計算小齒輪傳遞的轉矩。 3）查手冊選取齒寬系數(shù)：由于兩支承相對小齒輪做不對稱布置，故， 查手冊選取材料的彈性系數(shù)。 4）按齒面硬度查手冊得小齒輪的接觸疲勞強度極限；。 5）計算應力循環(huán)次數(shù)：按照工作壽命15年（設每年工作300天），兩班制計算。 6）查手冊取接觸疲勞壽命系數(shù)；。 7）計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1 。 （2）計算 1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。 2） 計算圓周速度v。 3）計算齒寬b。 4）計算齒寬與齒高之比。 模數(shù) 齒高 5)計算載荷系數(shù)。 根據(jù)v=0.0057m/s,6級精度，由手冊查得動載系數(shù)。 直齒輪， 由手冊查得使用系數(shù).50； 由手冊查得6級精度，小齒輪作懸臂布置，。由b/h=5.370，查手冊得 6)按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 （3）計算模數(shù)。 ③ 按齒根彎曲強度設計 由彎曲強度的設計公式為 （1）確定公式內的各計算值 1）查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限； 2） 查手冊得彎曲疲勞壽命系數(shù)； 3）計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 4）計算載荷系數(shù)。 5)查取齒形系數(shù) 6)查取應力校正系數(shù) 7）計算大、小齒輪的并加以比較。 大齒輪的數(shù)值較大。 （2）設計計算 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取由彎曲強度計算得的模數(shù)1.243并就近圓整為標準值（取稍大點的值）m=2mm。 ④ 幾何尺寸計算 （1）計算中心距 （2）計算分度圓直徑 （3）計算齒輪寬度 取， （4）齒輪的結構尺寸 小齒輪采用實心結構 大齒輪采用腹板式結構 1）小齒輪（齒輪1）的尺寸 z=20 =40mm m=2 d=25mm =30mm ha=ha*m=1×2=2mm hf=( ha*+c*)m=(1+0.25)×2=2.5mm h=ha+hf=2+2.5=4.5mm da=d1＋2ha=45.4mm df=d1－2hf=36.4mm p=πm=6.28mm s=πm/2=3.14×2/2=3.14mm e=πm/2=3.14×2/2=3.14mm c=c*m=0.25×2=0.5mm 2）大齒輪（齒輪2）的尺寸 由軸可 得 z2=80 m=2 =25mm d=50mm ha=ha*m=1×2=2mm hf=(1＋0.5)×2=2.5mm h=ha+hf=2+2.5=4.5mm da=d2＋2ha=164mm df=d1－2hf=155mm p=πm=6.28mm s=πm/2=3.14×2/2=3.14mm e=πm/2=3.14×2/2=3.14mm c=c*m=0.25×2=0.5mm ，取C=10mm 6.3.2 軸III至軸IV的低速級齒輪傳動設計 輸入功率,小齒輪轉速n=2.5r/min，傳動比為=2。 具體計算過程略?？紤]到整體結構尺寸以及軸上零件的互不干涉情況，定中心距為a=180mm，齒輪模數(shù)為m=2。所以齒輪的結構尺寸如下圖所示： ①小齒輪（齒輪3）：分度圓直徑為d=120mm。 ②大齒輪（齒輪4）： 分度圓直徑d=240mm。 6.3.3 軸III至軸VI的低速級齒輪傳動設計 輸入功率,小齒輪轉速n=2.5r/min，傳動比為=2。 具體計算過程略?？紤]到整體結構尺寸以及軸上零件的互不干涉情況，定中心距為a=250mm，齒輪模數(shù)為m=2。所以齒輪的結構尺寸如下圖所示： ①小齒輪（齒輪5）：分度圓直徑d=169mm。 ②大齒輪（齒輪6）分度圓直徑d=338mm。 6.3.4 齒輪齒條傳動設計 ①齒輪做成雙聯(lián)齒輪（齒輪22-66），模數(shù)為m=1，齒數(shù)分別為z1=22，z2=66。分度圓直徑d1=22mm，d2=66mm。其具體結構尺寸如下所示： ②齒條 一個齒條與圓柱凸輪機構中的小凸輪相連，另外一齒條在主軸箱上，這里就不重復說明了。 6.4 行星輪系傳動設計[5]/[7] 輸入功率，輸入轉速，輸入轉矩，傳動比=25。 6.4.1 輪系的選擇 根據(jù)傳動比要求，選擇2K-H行星齒輪傳動。其傳動比范圍為1～50 ，最佳使用范圍為5～25。其傳動效率為0.904 其傳動比計算公式為。由i=25確定各齒輪齒數(shù)為： 。 取模數(shù)m=2，各齒輪的分度圓直徑為： 6.4.2 結構設計 根據(jù)齒輪結構設計的標準（當齒頂圓直徑時，做成實心結構的齒輪；當齒頂圓直徑時，做成腹板式結構）可得： ① 齒輪a分度圓直徑為34mm，做成實心結構，材料為40Cr（調制），齒輪寬為B=30mm。結構尺寸如下： ② 齒輪b齒頂圓直徑，做成腹板式結構，齒輪材料選用45鋼（調制），各參數(shù)如下： ③ 齒輪c和齒輪d做成雙聯(lián)齒輪，材料為40Cr（調制），具體結構尺寸如下圖所示： ④ 行星架做成軸與連桿相連的形式，軸徑為20mm，其具體結構及尺寸如下圖： 6.5 槽輪機構設計[4] 由機床的整體安裝高度為850mm以及其他傳動的中心距可得槽輪機構的中心距為a=150mm。由機床的運動要求可知，槽輪的槽數(shù)Z=4，主動撥盤的圓銷數(shù)n=1。其具體結構尺寸如下圖所示： 6.5.1 撥盤： 6.5.2 槽輪： 6.6 圓柱凸輪機構設計[4] 6.6.1 圓柱凸輪的參數(shù)： 通常直動滾子從動件的圓柱凸輪的許用壓力角[]=25度-35度。過理論廓曲線上任意一點做法線nn, nn與y軸的夾角即為機構的壓力角。因此基圓柱半徑必須滿足：半徑大于等于最大速度比上角速度與許用壓力角正弦的積。即公式 另外大速度，可減小圓柱凸輪的行程，故在18a/b處兩齒輪的齒數(shù)比值為3，由此計算得出其半徑為95.44mm。由于圓柱凸輪的行程經(jīng)齒輪齒條機構擴大了3倍，而主軸箱的總位移為120mm，所以圓柱凸輪的行程為40mm。 經(jīng)過考慮取半徑為125mm，長度取80mm。 6.6.2 主凸輪輪廓線及其運動曲線 ①快進行程0—45度，五次多項式曲線； ②工進行程45—170度，一次多項式曲線 170—195度，五次多項式曲線； ③快回行程195—292.5度，正弦加速度曲線； ④近休292.5—360度。 位移和輪廓線 速度線（上圖） 加速度線(上圖) 6.6.3 滾子---齒條 6.7 各級軸的設計[1] 6.7.1 軸I設計： ① 選擇軸的材料及其熱處理 由于傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求故選擇常用材料45鋼,調質處理. ② 估計軸徑 按功率P=1.44KW,轉速為n=240r/min初估軸的直徑,查表得=103至126,考慮到安裝聯(lián)軸器的軸段僅受扭矩作用.取=110則: Dmin= 軸的最小直徑顯然是安裝行星齒輪的地方，即=20mm。 ③ 初選軸承 軸選軸承為6006型深溝球軸承。 根據(jù)軸承確定軸安裝軸承的直徑為: D=30mm 即=30mm。 ④ 結構設計 1）各軸直徑的確定 初估軸徑后,句可按軸上零件的安裝順序,從右端開始確定直徑.該軸軸段I安裝帶輪，直徑應小于軸承的安裝直徑，故該段直徑為25mm。III段為軸肩，為了便于安裝軸承，取=36mm。 2）各軸段長度的確定 軸段I的長度為帶輪的寬度及帶輪和軸承之間定位用的套筒的長度之和，=45mm。II、IV段安裝軸承，軸承寬度為13mm，考慮到軸承的定位，長度應略小于軸承的寬度，故=11mm。V段安裝齒輪和套筒，長度應為齒輪寬度與套筒長度之和，=37mm。III段為軸肩，考慮到軸的總長度，所以定為=83mm。所以軸的總長度為187mm。 3）軸上零件的周向固定 為了保證良好的對中性，齒輪與軸選用過盈配合H7/r6。與軸承內圈配合軸選用k6，齒輪與帶輪均采用A型普通平鍵聯(lián)接，（寬×高×長）分別為6×6×25 GB1096-1979及鍵8×7×28 GB1096-1979。 4）.軸上倒角與圓角 為保證軸承內圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊的推薦，取軸肩圓角半徑為1mm。其他軸肩圓角半徑均為1mm。根據(jù)標準GB6403.4-1986，軸的左右端倒角均為1×45。 ⑤軸的強度校核 1）做出軸的計算簡圖 圖中,。經(jīng)過計算得， 2）畫出彎矩圖 3）畫出扭矩圖 4）按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度。根據(jù)扭矩圖以及周單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)應力，取，軸的計算應力 軸的材料為45鋼，調質處理，查得，因，故安全。 6.7.2 軸II的設計 其設計方法同軸I，具體過程不再重復。軸的各個數(shù)據(jù)如下： 軸的最左端通過連桿與行星架H相連,往右依次安裝行星輪系中的齒輪b、軸承、高速級齒輪傳動中的小齒輪1。 軸上零件的周向固定：為了保證良好的對中性，齒輪與軸選用過盈配合H7/r6。與軸承內圈配合軸選用k6，連桿與齒輪均采用A型普通平鍵聯(lián)接，（寬b×高h×長L）分別為8×7×6 GB1096-1979及鍵8×7×25 GB1096-1979。 6.7.3 軸III的設計 其具體尺寸如下圖所示： 軸上零件的軸向固定：從左往右的第一段安裝齒輪3，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為8×7×18 GB1096-1979。第三段和第八段安裝軸承。第六段安裝齒輪2，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為14×9×18 GB1096-1979。最后一段安裝齒輪5，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為8×7×25 GB1096-1979 6.7.4 軸IV的設計 軸上零件的周向固定：從左往右第三段安裝槽輪機構中的撥盤，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為12×8×40 GB1096-1979。第六段安裝齒輪4, 選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為10×8×18 GB1096-1979。 6.7.5 軸V的設計 軸上零件的周向固定：從左往右第三段安裝槽輪，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為12×8×18 GB1096-1979 。 6.7.6 軸VI的設計 軸上零件的周向固定：從左往右第一段安裝齒輪6，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為8×7×18 GB1096-1979。第五段安裝圓柱凸輪，選用普通A型平鍵，（寬b×高h×長L）分別為14×9×70 GB1096-1979。 6.8 床身及主軸箱設計 6.8.1 床身設計 根據(jù)各級傳動的中心距，配合機床整體的外形尺寸，將其垂直安裝在床身上，按照前面的方案簡圖，布置軸承的支撐位置，其具體機構尺寸如下圖所示，這里主要說明一下，導軌為閉式雙三角形導軌，俯視圖上開的槽為主軸箱上的齒條安裝、運動所需，前視圖上，導軌下方布置了四個肋板，加強床身的強度及剛度。另外從床身側壁上引出了一根軸，用以安裝好、齒輪齒條機構中的雙聯(lián)齒輪22-66。從床身頂部安裝了以滑軌，用以支撐齒條的直線運動。 6.8.2 主軸箱設計 主軸箱上有專用電機，用以帶動刀具旋轉。電機帶動主軸箱中的一個大齒輪與三個小齒輪嚙合，使刀具旋轉。主軸箱上還有與導軌相配合的滑槽，滑槽頂部開有一小凹槽，減小摩擦，方便潤滑。其具體結構尺寸如下圖所示： 7 各機構零件的三維建模 7.1 軸I零件建模 7.1.1 軸I建模[8] 通過【圓柱】命令，指定矢量（Y軸），指定點為原定，輸入直徑25mm，高度45mm，創(chuàng)建圓柱體。用同樣的方法在前一段圓柱體的頂部圓心位置創(chuàng)建軸I尺寸的圓柱體，得到如下圖所示的模型： 鍵槽：在需要創(chuàng)建鍵槽的地方插入基準平面，然后再基準平面上用【鍵槽】創(chuàng)建鍵槽。選擇矩形鍵槽（圖a），接下來選擇放置的面，即剛剛插入的基準平面，接受默認邊，選擇一段圓柱作為水平參考，得到圖示的鍵槽參數(shù)輸入對話框（圖b），確定之后，選擇第四個【垂直】（圖c），用以定位鍵槽。選擇如圖所示的Y-Z平面（圖d）與鍵槽豎直中心用以確定鍵槽的水平位置，選擇X-Z平面用以確定鍵槽的前后位置，最終得到鍵槽。用同樣的方法得到另一個鍵槽。如下圖e所示： 圖a 圖b 圖c 圖d 圖e 最后再經(jīng)過【倒斜角】，得到完整的軸。 7.1.2 帶輪建模 ①大帶輪 先按照帶輪的寬度創(chuàng)建一個圓柱體，在圓柱的端面上創(chuàng)建草圖，按照尺寸畫出兩個同心圓，進行拉伸求差，得到端面上的凹槽；在凹槽底面插入基準點，用【孔】命令創(chuàng)建孔，再通過【實例特征】中的【圓形陣列】，得到腹板上的孔； V帶槽的創(chuàng)建：在Y-Z平面上創(chuàng)建草圖，在帶輪的圓周面上相應的位置畫出帶槽的截面形狀，退出草圖，進行【掃略】，截面圖形選擇剛剛畫的草圖，引導線選擇帶輪圓柱底面的輪廓圓形，定位方式選擇矢量方向，指定矢量選擇底面圓形，確定后求差得到帶槽。經(jīng)過倒斜角、創(chuàng)建鍵槽后得到如圖所示的帶輪。 ②小帶輪 7.1.3 齒輪a建模[9] 通過專用的齒輪插件進行齒輪的創(chuàng)建。輸入具體的參數(shù)得到相應的齒輪，再經(jīng)過腹板、孔及鍵槽的創(chuàng)建得到完整的齒輪。如圖： 7.1.4 鍵的建模 按照鍵的尺寸在草圖上畫出其輪廓圖，退出草圖，進行拉伸，得到鍵。 7.2 軸II零件建模 7.2.1 軸II建模 7.2.2 齒輪c-d建模 7.2.3 齒輪1建模 7.2.4 連桿、行星架建模 7.3 軸III零件建模 7.3.1 軸III建模 7.3.2 齒輪建模 齒輪2 齒輪3 齒輪5 7.4 軸IV零件建模 7.4.1 軸IV建模 7.4.2 齒輪建模 7.4.3 槽輪撥盤建模 7.5 軸V零件建模 7.5.1 軸V建模 7.5.2 槽輪建模 7.6 軸VI零件建模 7.6.1 軸VI建模 7.6.2 齒輪建模 7.6.3 圓柱凸輪建模 7.7床身級其他零件建模 7.7.1 床身建模 7.7.2 主軸箱建模 7.7.3 齒輪齒條建模 7.7.4 工作臺建模 7.7.5 其他零件建模 電機 V 帶 主軸刀具，專用電機等 8 裝配 8.1 軸I裝配 8.1.1 帶輪及鍵的裝配 ①鍵的裝配 打開UGNX 5.0，新建一個裝配文件z-zhou 1，一絕對原點的方式添加軸I，然后開始裝配軸上的零件。用【添加組件】命令，添加鍵1，定位方式選擇配對，選擇鍵的底面和鍵槽的底面配對，然后將建的側面與鍵槽相對應的側面以及鍵的圓柱面與鍵槽對應的圓柱面進行配對，最后得到鍵的裝配模型如圖a所示。 圖 a ②帶輪的裝配 以配對的方式添加帶輪，配對條件依次為： 配對：帶輪的輪轂的圓柱面->安裝帶輪的軸圓柱面 配對：帶輪鍵槽的側面->鍵上相應的側面 距離：帶輪的外端面->軸的端面，距離為2mm 如圖所示b： 圖 b 8.1.2 齒輪及鍵的裝配 一配對的方式添加齒輪及鍵，鍵2的裝配方法如上所示。 齒輪的配對條件如下： 配對：齒輪的軸孔圓柱面->軸上相應的圓柱面 配對：鍵槽的側面->鍵的側面 距離：齒輪的端面->軸的端面 如下圖c所示： 圖 c 8.1.3 軸承的裝配 添加軸承6006，將軸承孔的圓柱面與軸上相應的圓柱面及軸承端面與軸肩的端面進行配對。 最終得到軸I的總的裝配模型，如圖d所示： 圖 d 8.2 軸II裝配 軸II上的零件有：連桿、行星架、齒輪c-d、齒輪1、2個軸承6007、鍵 8.3 軸III裝配 軸III上的零件有：齒輪2、齒輪3、齒輪5、兩個軸承6008、鍵3、鍵10。 8.4 軸IV裝配 軸IV上的零件有：槽輪撥盤、齒輪4、兩個軸承6006、鍵6、鍵7。 8.5 軸V裝配 軸V上的零件有：槽輪、兩個軸承6006、鍵8。 8.6 軸VI裝配 軸VI上的零件有：齒輪6、圓柱凸輪、兩個軸承6007、鍵4、鍵9。 8.7 整體裝配 透明顯示： 9 運動仿真[3] 將裝配好的機床模型進行運動仿真。單擊【開始】按鈕，選擇【運動仿真】，進入仿真模塊。右擊【運動導航器】上的裝配文件名，選擇【新建仿真】，在彈出的環(huán)境對話框中選擇【動力學】，單擊【確定】。然后再彈出的【機構運動副向導】對話框中單擊【否】按鈕，自己添加連桿。 9.1 添加連桿 單擊【插入】，選擇【連桿】，進行連桿添加。將床身、傳動電機、齒輪b、和所有軸承設為固定連桿L001；電機軸、小帶輪設為連桿L002；大帶輪、軸I及鍵、齒輪a設為連桿3；將行星架、連桿、軸II及鍵、齒輪1設為連桿L004；將齒輪c-d設為連桿L005；將軸III及鍵、齒輪2、齒輪3、齒輪5設為連桿L006；將軸IV及鍵、槽輪撥盤、齒輪4設為連桿L007；將軸V及鍵、槽輪、工作臺設為連桿L008；將軸VI及鍵、齒輪6、圓柱凸輪設為連桿L009；將齒條-滾子設為連桿L010；將齒輪22-66設為連桿L011；將主軸箱及專用電機設為連桿L012；將專用電機軸及上的齒輪設為連桿L013；將三組刀具、刀柄及其上的齒輪分別設為連桿L014、L015、L016； 9.2 添加運動副 9.1.1 旋轉副 選擇【插入】/【運動副】，在L001的電機與電機軸之間加旋轉副，第一個連桿選擇小帶輪輪廓邊緣的圓周，這樣就完成了“選擇連桿”（L002）、“指定原點”（圓心）、“指定方位”（圓所在平面的法線）三個步驟。第二個連桿選擇床身，單擊【應用】按鈕，完成旋轉副J002的添加。 同樣的方法添加后面的旋轉副。 9.1.2 滑動副 選擇【插入】/【運動副】，在導軌與主軸箱之間添加滑動副。第一個連桿選擇導軌的一個橫向棱邊，這樣就完成了“選擇連桿”（導軌）、“指定原點”（鼠標位置點）、“指定方位”（導軌棱邊方向）三個步驟。第二個連桿選擇主軸箱，單擊應用按鈕就完成了滑動副的添加。 同樣的方法在兩個齒條與床身之間添加兩個滑動副。 9.1.3 齒輪副 選擇【齒輪副】，在帶傳動及各組齒輪傳動上添加齒輪副。選擇齒輪傳動中的另個齒輪各自的旋轉副，輸入相應的傳動比，單擊確定，完成齒輪副的添加。 9.1.4 3D接觸器 在槽輪機構、圓柱凸輪機構之間添加碰撞。右擊【運動導航器】上的仿真項目motion-1，選擇【新建連接器】/【3D接觸】，在彈出的【3D接觸】對話框中輸入數(shù)值（如圖）。 在【接觸體】中分別選擇滾子和凸輪，在二者之間添加碰撞。 9.3 設置運動 右擊電機與電機軸的旋轉副J002，選擇【編輯】，在驅動類型中選擇【恒定】，在初速度中填寫電機轉速6000（）。同樣的方法給專用電機設置驅動。 9.4 運動規(guī)律仿真 右擊【運動導航器】上的仿真項目motion-1，選擇新【建解算方案】，在彈出的對話框中，時間設置為48s，步數(shù)設置為100,單擊【確定】。 右擊【運動導航器】上新建立的解算方案Solution-1，選擇【求解】，進行仿真計算。 計算完成后，選擇【動畫】，進行動畫查看。 10 仿真結果與分析 針對仿真結果，主要做以下兩方面的分析： 10.1 主軸箱運動分析 題目對主軸箱的運動要求為： ① 刀具頂端離開工件表面65mm(圖1)，快速移動送進60mm接近工件后，勻速送進60 mm(前5mm為刀具接近工件時的切入量，工件孔深45mm，后10mm為刀具切出量)，然后快速返回?；爻毯凸ぷ餍谐痰钠骄俦?行程速度變化系數(shù))K＝2。 ② 刀具勻速進給速度為2mm/s。 10.1.1 主軸箱位移圖 從圖中可以看出，主軸箱的位移為120mm。主軸箱從圖中標記位置開始快速送進60mm，位移曲線為一段拋物線AB;然后主軸箱勻速送進60mm，位移曲線為一段近似的直線BC；接下來主軸箱快速后退，位移曲線為一段拋物線CDA。從圖中結果可以得出，設計結果基本滿足要求。 10.1.2 主軸箱速度圖 從圖中可以看出，主軸箱從圖中標記位置開始，先快速向右移動60mm后以2mm/s的速度向右移動，所以速度曲線如圖所示先為近似的一條加速直線，然后逐漸減速，為一條減速直線，當速度減小到2mm/s的時候保持勻速運動，如圖中速度波動不大的一條曲線。最后，主軸箱快速后退120mm，速度先升高后降低，速度曲線如圖所示。 速度基本滿足設計要求。 10.1.3 主軸箱加速度圖 10.2 工作臺運動分析 對工作臺的要求是：主軸箱每來回移動一次，工作臺回轉90°。并且工作臺的轉動與主軸箱的移動不發(fā)生干涉。 工作臺的角度位移圖： 從圖中可以看出，工作臺在主軸箱每一個運動周期內，只回轉一次90°。與主軸箱的位移圖進行對比，兩者之間并沒有發(fā)生干涉，滿足要求。 通過運動仿真及其結果可以看出此次設計基本滿足要求。機床的整體及各部分尺寸在給定范圍內；通過裝配，未發(fā)現(xiàn)零件之間有干涉情況；機床的各個機構之間的運動關系達到運動規(guī)律的要求。符合設計要求，此次設計是成功的！ 參 考 文 獻 [1] 紀名剛等.機械設計（第八版）.2006年 北京 高等教育出版社 [2] 馮辛安等.機械制造裝備設計.2009年 北京 機械工業(yè)出版社 [3] 張晉西等.機構運動仿真基礎及實例.2009年 北京 清華大學出版社 [4] 孫恒等.機械原理.2006年 北京 高等教育出版社 [5] 齒輪手冊編委會.齒輪手冊.2000年 北京 機械工業(yè)出版社 [6] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊.2004年 北京 機械工業(yè)出版社 [7] 曹艷麗.NGW-S行星齒輪減速器CAD系統(tǒng)參數(shù)化設計的研究.遼寧工程技術大學學位論文 2003 [8] 張勛.基于UG的軸類零件特征建模方法研究.蘭州理工大學碩士學位論文 2006 [9] 張榮榮.微型齒輪齒廓設計方法研究.南京航空航天大學碩士學位論文 2006 [10] 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